Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen

Fern, Florian GND

Die vorliegende Arbeit stellt ein neuartiges Konzept für eine fünfachsige Nanomessmaschine zur Messung von Formabweichungen auf stark gekrümmten Asphären oder Freiform-Flächen vor. Bis zu einem Anstieg von bis zu 60° der Messobjektoberfläche kann der Sensor orthogonal zu dieser ausgerichtet werden. Unter vollständiger Einhaltung des Abbe-Komparatorprinzips wird das Messobjekt translatorisch in einem Bereich von 25mm 25mm 5mm relativ zu dem um zwei Rotationsachsen drehbaren Sensor bewegt. Die Messachsen der translatorischen Positionsmessung schneiden sich im so genannten Abbe-Punkt. Dieser Abbe-Punkt ist gleichzeitig auch der Antastpunkt des Sensors und der konstante Momentanpol der beiden Rotationsachsen zur Sensorrotation, die sich rechtwinklig in dem Abbe-Punkt schneiden. Zur Bestimmung der zufälligen und systematischen Positionsabweichungen des Sensors in Folge seiner Rotation wird ein Referenzmesssystem vorgestellt. Dieses besteht aus drei fest mit dem Sensor verbundenen, kartesisch angeordneten Fabry-Pérot-Interferometern, die kontinuierlich den Abstand des Sensors zu der Innenfläche einer Referenzhemisphäre messen. Die Messstrahlen der Fabry-Pérot-Interferometer schneiden sich dabei virtuell im Abbe-Punkt. Um die Formabweichung dieser Referenzhemisphäre zu bestimmen, wird ein in-situ-Kalibrierverfahren beschrieben, das die Bestimmung der Formabweichung mit den im System vorhanden Sensoren im Einbauzustand erlaubt. Dazu wird der Sensor durch einen Kugelreflektor im Abbe-Punkt (Kugellinse n=2) ersetzt. Dessen Positionsabweichung wird während der Rotation gemessen und zur Bestimmung der Formabweichung der Referenzhemisphäre genutzt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp des vorgestellten Konzepts aufgebaut und die Funktion des Referenzmesssystems verifiziert. Über einen großen translatorischen Verschiebungsbereich von 80 μm, kann die Verschiebung des Antastpunktes mit Hilfe des Referenzmesssystems auf +-200nm erfasst werden. Eine Wiederholungsmessung zwischen zwei Stellungen des Rotationssystems zeigte, dass die Antastpunktposition mit einer maximalen Abweichung von 27nm bestimmt werden kann. Die ausführliche theoretische Messunsicherheitsbetrachtung auf Grundlage von sechs Untermodellen ergibt eine Messunsicherheit für die Bestimmung des Antastpunktes von maximal 18nm p = 68%.

This thesis presents a novel concept for a five-axes nano coordinate measuring machine which is designed to measure form deviations of strongly curved aspheres and freeform-surfaces. Up to a surface inclination of 60° of the sample, the sensor can be aligned perpendicularly to the local surface. In strict compliance with the Abbe-comparator principle, the sample is moved in a measuring volume of 25mm 25mm 5mm relative to the sensor which can be rotated in two axes. Those two axes of rotation cross perpendicular at the so-called Abbe-point which is also the intersection of the measurement axes of the linear movement. This Abbe point coincides with the measuring point of the sensor and is the constant instantaneous center of rotation of the sensor. To measure the position deviation of the sensor caused by the rotation, a reference-measuringsystem is shown. It consists of three cartesian arranged Fabry-Pérot-Interferometers connected to the sensor which are measuring the distance to the inner surface of the reference hemisphere. The measuring axes of those Fabry-Pérot-Interferometers virtually cross in the Abbe-point. To specify the form deviations of the reference-hemisphere an in-situ-calibration process is described. Therefore, the sensor is replaced by spherical reflector (ball lens n=2) whose position deviation is measured during the rotation and used to determine the form deviation of the reference hemisphere. Based on this concept, a prototype of the five-axes nano coordinate measuring machine was built and the functionality of the reference-measuring-system is verified. For a linear movement of 80 μm the sensors measurement point can be measured with a maximum deviation of +-200nm. Repeated measurements between two positions of the rotation-axes show that the measurement point can be determined with a maximum deviation of 27nm. The detailed theoretical measurement uncertainty budget based on six sub-models shows a maximum measurement uncertainty of the measurement point of 17nm p = 68%.

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Fern, F., 2020. Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen. Ilmenau.
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